PLC控制在烧结生产过程中的应用

1 引言
烧结生产是钢铁生产中的重要环节，它包括原料，配料，混料，烧结和成品系统等几方面。原来的系统采用简单的单回路仪表控制，无法实现对生产过程的有效控制。这里我们采用PLC对其进行控制，能够取得较好的控制效果。
2 原料控制系统
(1) 熔剂系统
熔剂系统负责向配料系统提供消石灰、白云石、石灰石等原料。系统依有无上料要求来判断料线是否运行。由于三种物料共用一条主料线，因此设计了许多保护与判断功能，用来防止混料;
(2) 铁料系统
铁料系统负责向配料系统提供铁料。小车自动找到要上料的物料槽之后，向料线发启动信号，铁料仓库给料圆盘则与当前要上料的品种号进行比较，结果相同的圆盘启动给料，反之停车。当需要更换上料品种时，当前工作圆盘离线，料线保持运行，使原物料卸光，然后小车行至目标槽，新的物料开始给料。若换槽而不换品种，则小车可带料行走，料线不发生变化;
(3) 燃料系统
燃料系统负责向配料系统提供煤粉，由三段组成，每一段料线流程的动作均依各段料线终点处卸料小车的位置和各受料料槽料位的变化情况而自动决定小车的行进目标与料线的启停。
原料系统的三个系统具有料线联锁、卸料小车自动／手动卸料、自动寻找物料对应关系和物料品种切换关系，自动找槽定位等功能。
3 自动配料系统
3.1 系统的工艺要求
配料系统的主要任务是按烧结机对物料的需求量，计算、分配、控制原料矿槽的下料量，以保证物料平衡和化学成分符合要求。工艺上对控制系统的要求是:
(1) 实现各配料秤和集料皮带机的顺序起停、单机起停和同时起停;
(2) 实现各配料秤的重量配比控制;
(3) 配比计算功能
根据总量和各台秤的配比，计算每台秤的流量设定值;
(4) 流量计算功能
根据检测到的重量信号和皮带速度信号，计算一段时间内物料的平均流量，以此平均流量作为反馈量进行PID调节;
(5) 报警功能
对经常出现的故障如堵料、皮带打滑、电机过流过载等进行声光报警，出现堵料情况时，要求自动起动矿槽上的振动器电机，恢复下料后自动停振;
(6) 热备功能
要求两个系统的两台上位机具有热备功能，即每一台上位机可同时对两个系统的下位机(PLC)进行监控;
(7) 报表打印功能
人工干预和定时打印各种时报、班报、月报等报表;
(8) 停电保护功能
停电后再次供电时，系统进行初始化复位，保证各台设备均处于停机状态，以防人身事故和设备事故的发生。
3.2 控制系统的组成
控制系统示意图如图1所示。控制设备选用德国SIEMENS公司的PLC系列可编程序控制器。每一配料系统都配有一台上位机和一台下位机。通过数据通讯网络，彼此相连。下位机的CPU模板采用PLC SIMATIC S7可编程控制器，上位机采用台湾研华公司的工业控制机IPC。

图1 控制系统结构图

系统配置的软件有S7-400编程软件和SIMATIC WinCC全面开放的新一代人机界面监控软件。STEP 7-400用于PLC的编程、调试和生成各种程序文档，SIMATIC WinCC用于实现人机接口功能。
3.3 检测和控制原理
系统自动调节原理如图2所示。

图2 调速系统原理图

物料重量通过荷重传感器检测，并转变为与之成正比的直流毫伏信号，再通过直流毫伏变送器变换为直流4～20mA信号，送到A/D模板。皮带秤电机转速由直流测速发电机测量，测速发电机输出的直流电压经电阻分压网络降压，得到与转速成正比的直流0～5V信号，送到A/D模板。假设某一时刻，皮带秤有效称量段上的物料重量为W，皮带的线速度为V，有效称量段长度为L，则该时刻物料的瞬时流量为
F=1/L×W×V (1)
根据式(1)，可以计算每一采样时刻的瞬时流量，并进一步计算一段时间内的平均流量。将其与操作员通过键盘输入的流量给定值比较，然后进行PID调节运算得到控制量，最后通过D/A模板输出4～20mA的直流信号，控制变频器改变输出频率，从而改变电机转速，达到改变物料流量的目的。

3.4 系统软件设计
SIEMENS公司的STEP7系列指令系统功能非常强，不仅有丰富的用于断续控制的指令，而且有很多运算和控制指令，如PID控制指令，数据类型近十种，包括整型、实型等等，这给编程带来很大的方便。
控制软件采用梯型图语言编制。编程时，遵循软件工程规范，根据结构化、模块化原则，把功能相对独立的部分编制为一个子程序，尽量减少子程序之间的联系，主程序依据不同条件调用各个子程序，完成相应的功能．软件部分包括:
(1) 主程序;
(2) 顺序控制;
(3) 流量计算;
(4) 配比计算;
(5) PID调节;
(6) 故障处理。
另外，上电复位时，CPU自动调用故障例行子程序，完成上电保护功能。
在上述各个子程序中，流量计算中的数字滤波子程序非常重要。假如直接以瞬时流量作为反馈量进行PID调节，那么由于物料流波动很大，经常造成瞬时流量大幅度变化，使调节过程不易平稳。因此，我们利用数字滤波子程序计算平均流量并以此作为反馈值。

4 烧结系统
烧结机子系统将混合料经点火炉点火燃烧，机上冷却成烧结矿并破碎，使其成为合格的高炉原料。它是系统的核心，除了满足工艺的常规流程控制外，主要还有下列模拟量控制:
(1) 铺底料圆辊调速
控制铺底料料层厚度，采用比率调节;
(2) 混合料圆辊调速
控制烧结机料层厚度，采用比率调节;
(3) 铺底料给料机调速
预估铺底料矿槽料位的变化，调节铺底料料流量;
(4) 冷却终点控制
通过调节烧结机机速，使冷却终点温度控制在一个人为的设定值范围内;
(5) 炉温调节
串级加比值调节，温度调节器的输出作为煤／空回路的串级输入，温度环采用PID调节，煤／空回路采用PI调节并按一定的工况所设定的比值自动跟踪;
(6) 物料平衡
使混合料槽物料的进入量与烧结机的需求量保持基本平衡，采用模型来计算未来可能需要的总配料量。

5 燃烧自动调节系统及其性能指标
烧结燃烧系统是烧结工艺中影响产品产量和质量最直接和最关键的环节，为了稳定生产并保证烧结质量，燃烧自动调节系统由三个分系统组成。
(1) 系统:煤气总管稳压自动调节系统
可根据外部煤气管网工况将总管压力稳定在4000Pa或4500Pa(根据设定)，因其检测点距离调节阀较近，滞后小，系统灵敏，阶跃响应迅速;
(2) 点火器温度自动控制系统
通过调节煤气阀门开度，可控制点火器温度，恒定在1200℃的设定值上。
(3) 空气／煤气比例随动自动跟踪控制系统
通过调节空气调节阀阀门开度，使进入点火器的空气流量自动按设定的空／煤比系数跟踪煤气流量。
6 成品处理系统
成品处理子系统负责把烧结矿按粒度分类，一部分成品送高炉，一部分返回烧结机作铺底料，不合格品返回配料系统参与混合料配比。
除流程联锁控制外，本系统还有筛分(双层振动筛)流向选择控制，烧结矿送高
炉流向控制。系统根据高炉的操作条件，一旦确认是要料，烧结矿便能按控制的流向到达目的地。同时，无论何时高炉输料皮带发生故障，系统在几秒钟内便能响应，停止相应的流程并保证其它流向正常工作。
7 卸灰系统
卸灰子系统负责将烧结结矿中的不合格品以及除尘系统收集的粉尘送往配料系统参加配料，以改善混合料的造球性能。本系统除了控制输料皮带和卸灰设备按一定的“松散”关系联锁外，还控制烧结机下人烟道两侧的双层卸灰阀按一定的部位和时间卸灰。
控制卸灰阀的时间是一条“环形”脉冲带，它把均匀分布在左右烟道两侧的卸灰阀按高低序号向中间逼近的方法，定时启动卸灰，这保证了烟道卸灰的均匀性和具有一定的负压。
8 铺底料系统
铺底料子系统用来向烧结机提供均衡的铺底料，用以改善混合料在烧结过程中的透气性并对台车炉篦起一定的保护作用。
该系统具有较大的独立性。通过与烧结机通讯，给料设备供给的铺底料使铺底料矿槽保持一定的料位。
9 结束语
本系统在武钢烧结厂自投产运行以来，所设计的功能均已投入使用。无论在精度、稳定性及其它一些控制系统质量指标方面，均能达到满意的效果。特别是配料总量自动跟踪、混合料加水控制和小容量矿槽物料平衡控制对保证工况正常，提高产品产量、质量发挥了良好的作用，又由于编程主要采用了梯形图语言，使得用户容易掌握，因而受到了用户热忱的欢迎。
另外，在降低工人的劳动强度，改善生产环境等方面也取得一定的成效。值得大力推广。